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   Responsabile: Alessandro Polichetti
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Campi elettromagnetici

Cosa sono i campi elettromagnetici

Siamo costituiti da cariche elettriche

La materia che ci circonda, compresa quella che costituisce il nostro corpo, è costituita di atomi. Gli atomi sono a loro volta composti da particelle più piccole: i protoni e i neutroni che costituiscono il nucleo atomico e gli elettroni che si muovono intorno al nucleo.

Protoni ed elettroni sono dotati di una proprietà fondamentale, la carica elettrica: carica positiva per i protoni, carica negativa per gli elettroni. I neutroni sono neutri dal punto di vista elettrico, cioè non possiedono carica, e sebbene siano fondamentali per la struttura della materia, ai fini di questa semplice trattazione possiamo d’ora in poi evitare di parlarne ancora.

Anche gli atomi sono normalmente neutri, in quanto le cariche positive dei protoni equilibrano esattamente le cariche negative degli elettroni. Questa neutralità dell’atomo viene meno quando essi sono privati di uno o due elettroni necessari a pareggiare i conti con i protoni, o addirittura ospitano qualche elettrone di troppo: in questi due casi gli atomi vengono denominati ioni e sono dotati di carica elettrica, positiva nel primo caso, negativa nel secondo.

Le particelle dotate di carica elettrica interagiscono fra di loro, esercitando forze l’una sull’altra. Per esempio, un elettrone e un protone si attraggono reciprocamente, per questo gli elettroni nel loro movimento attorno al nucleo atomico (contenente protoni, come si è detto) non se ne allontanano troppo, e l’atomo resta stabile.


Il campo elettrico

L’attrazione tra particelle dotate di carica elettrica di segno diverso (o la repulsione quando le cariche hanno lo stesso segno) è più esattamente descritta utilizzando il concetto di campo che ha soppiantato il concetto di interazione a distanza. Invece di dire che una particella esercita un’azione su di un’altra, possiamo immaginare ciò che avviene nel seguente modo: la prima particella carica genera nello spazio circostante un campo elettrico, mentre la seconda particella, venendosi a trovare nel campo elettrico generato dalla prima, è sottoposta a una forza. Questo discorso vale anche al contrario, trattandosi di un’interazione: la seconda particella genera infatti a sua volta un campo elettrico nello spazio circostante, ed è questo campo elettrico ad esercitare una forza sulla prima particella.

Un’importante grandezza fisica associata al campo elettrico è il potenziale elettrico, connesso all’energia che il campo elettrico cede alle cariche elettriche quando esse si spostano da un punto all’altro dello spazio: la differenza di potenziale tra due punti è detta tensione, la cui unità di misura è il volt (V).

Il campo elettrico, la cui unità di misura è il volt/metro (V/m), permette quindi di descrivere le interazioni tra particelle dotate di carica elettrica.


Il campo magnetico

Le interazioni tra particelle cariche si complicano quando queste sono in movimento. Questa situazione più complicata può essere descritta più semplicemente introducendo il concetto di campo magnetico: le particelle dotate di carica elettrica quando sono in movimento generano nello spazio circostante non solo un campo elettrico, ma anche un campo magnetico. L’effetto del campo magnetico è quello di esercitare forze su altre particelle cariche in movimento. Un caso particolare di movimento di cariche elettriche è quello dei conduttori elettrici percorsi da corrente elettrica, la cui unità di misura è l’ampere (A).

Il campo magnetico, la cui unità di misura è l’ampere/metro (A/m), permette quindi di descrivere le interazioni tra correnti elettriche, o più in generale tra cariche elettriche in movimento.

Spesso viene utilizzata una grandezza ad esso correlata, l’induzione magnetica, che tiene conto delle proprietà magnetiche della materia. L’unità di misura dell’induzione magnetica è il tesla (T). Spesso si utilizza il suo sottomultiplo microtesla (μT), pari a un milionesimo di tesla.

Nei mezzi non magnetici, quali l’aria e, con ottima approssimazione, il corpo umano, il campo magnetico e l’induzione magnetica sono legati da una semplice relazione di proporzionalità: 1 μT di induzione magnetica corrisponde a 0,8 A/m di campo magnetico.


Campi elettrici e magnetici variabili nel tempo (il campo elettromagnetico)

Il campo elettrico e il campo magnetico non sono solo dei comodi strumenti per descrivere l’interazione tra cariche e correnti elettriche, ma si comportano come dei veri e propri enti fisici. Ciò è reso ancor più evidente dal fatto che quando il campo elettrico e il campo magnetico variano nel tempo interagiscono tra di loro. In poche parole, senza entrare nei dettagli matematici della questione, un campo elettrico variabile nel tempo modifica la distribuzione spaziale del campo magnetico e, analogamente, un campo magnetico variabile nel tempo modifica la distribuzione spaziale del campo magnetico.

La variazione nel tempo dei campi elettrici e magnetici dà luogo a importanti fenomeni, per descrivere i quali è opportuno accennare al tipo di variazione temporale di maggiore interesse, cioè le oscillazioni periodiche. Si parla di oscillazioni periodiche quando le grandezze che oscillano nel tempo, in questo caso il campo elettrico e il campo magnetico, si ripetono identiche dopo un certo intervallo di tempo T, detto periodo.

Un parametro molto importante che caratterizza le oscillazioni periodiche è la frequenza, che indica nel nostro caso la rapidità con cui i campi oscillano nel tempo, ed è pari all’inverso del periodo T (f = 1/T). La frequenza si misura in hertz (Hz), dove 1 Hz corrisponde a un’oscillazione al secondo. Sono molto utilizzati i seguenti multipli dell’hertz: il kilohertz (kHz), pari a mille hertz, il megahertz (MHz), pari a un milione di hertz e il gigahertz (GHz), pari a un miliardo di hertz.

Al crescere della frequenza il campo elettrico e il campo magnetico interagiscono sempre più intensamente tra di loro, tanto che possono essere considerati come un unico ente fisico, il campo elettromagnetico.

Uno degli importanti fenomeni dovuti alla variabilità nel tempo dei campi, cui si accennava in precedenza, consiste nel fatto che il campo elettromagnetico non rimane immobile nello spazio, ma si propaga, sotto forma di "onde elettromagnetiche", allontanandosi, lungo la "direzione di propagazione", dalla sorgente da cui si origina (per esempio, un’antenna, lungo la quale oscillano delle correnti elettriche).

Si può tentare di visualizzare questo fenomeno pensando a ciò che avviene per le onde che si propagano sulla superficie dell’acqua di uno stagno nel quale venga gettato un sasso: fissando l’attenzione su un punto dell’acqua assistiamo ad un’oscillazione periodica del pelo dell’acqua tra una posizione di massimo (cresta) e una posizione di minimo (valle), se fotografiamo la situazione in un dato istante osserviamo una successione di creste e di valli, ma se guardiamo il fenomeno nel suo complesso e al variare del tempo osserviamo che la successione di creste e di valli si allontana dal punto di origine dell’onda.

Analogamente, in un’onda elettromagnetica, il campo elettrico e il campo magnetico presentano dei picchi di intensità che si succedono nello spazio, e questa successione di picchi si allontana dalla sorgente. La distanza tra due picchi successivi, detta "lunghezza d’onda" (lambda), è in relazione con la frequenza f per mezzo della seguente equazione: lambda = c /f, dove c è la velocità della luce (ciò non deve stupire perché la luce stessa è una radiazione elettromagnetica). La lunghezza d’onda è quindi tanto minore quanto più alta è la frequenza.

Un'importante caratteristica della propagazione delle onde elettromagnetiche è che esse trasportano dell’energia, e per questo si parla anche di "radiazione elettromagnetica". L’energia trasportata da un’onda elettromagnetica è proporzionale al prodotto dell’intensità del campo elettrico e del campo magnetico.

È il caso di accennare brevemente al fatto che la fisica moderna descrive i fenomeni elettromagnetici secondo una descrizione "classica" e una "quantistica", a seconda di quale delle due descrizioni sia più appropriata per descrivere una particolare situazione. Secondo la descrizione quantistica, appropriata quando le frequenze sono molto più elevate di quelle trattate in questa sede (inferiori a 300 GHz), la radiazione elettromagnetica è preferibilmente considerata come un insieme di particelle (i fotoni) che muovendosi alla velocità della luce trasportano ognuna un’energia proporzionale alla frequenza. Quando la frequenza è molto elevata i fotoni sono in grado di ionizzare la materia che attraversano, e in questo caso si parla di radiazioni ionizzanti (sono radiazioni elettromagnetiche ionizzanti i raggi X, quali quelli utilizzati per le radiografie, e i raggi gamma, prodotti da materiali radioattivi).

Alle frequenze che ci interessano, i fotoni non solo hanno energie così basse che parliamo di "radiazioni non ionizzanti", ma a queste basse energie è preferibile la descrizione classica e non è necessario descrivere il campo elettromagnetico in termini di fotoni.

Ma i campi elettromagnetici di interesse in questa sede non corrispondono neanche alla totalità delle radiazioni non ionizzanti, infatti quest'ultime, al di sopra della frequenza di 300 GHz comprendono la cosiddetta “radiazione ottica”, costituita da radiazione infrarossa, luce visibile e radiazione ultravioletta.

I campi elettromagnetici, non ionizzanti e non ottici, che sono i “protagonisti” di questo sito vengono distinti sulla base della frequenza di oscillazione in:
1) campi elettrici e magnetici statici, che non variano nel tempo e quindi non oscillano (0 Hz);
2) campi elettrici e magnetici a frequenze estremamente basse (comprendenti la frequenza di 50 Hz con cui è distribuita l’energia elettrica nelle nostre case, ma più in generale si riferiscono alle frequenze che non superano i 300 Hz);
3) campi elettromagnetici a frequenza intermedia (tra 300 Hz e 10 MHz);
4) campi elettromagnetici a radiofrequenza e microonde (10 MHz - 300 GHz).


Per informazioni più dettagliate sulle caratteristiche fisiche dei campi elettromagnetici si rimanda, per esempio, al libro "Protezione dai campi elettromagnetici non ionizzanti", prodotto dall’Istituto di Fisica Applicata "Nello Carrara" del CNR (IFAC/CNR).

Pubblicato il 17-04-2008 in Campi elettromagnetici , aggiornato al 07-03-2012

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